第十二章+同步电机的基本理论和运行特性

0
E0
思考：相量 图和矢量图 的区别？
时空矢量图的定义：将具有相同角速度的空间矢量和 时间相量画在同一坐标即为时空矢量图。
09级学习部资料
同步电机空载时的时空矢量图
时间相量和空间矢量都以相绕组轴线作为参考轴。
A相轴/时轴 交轴
Z B
ω1=2πf
E0
A
N
S
直轴
X
Ff1 φ0
Bf1
Y
C
交轴
09级学习部资料
课时小结
1. 同步发电机励磁可分为哪几类？(了解) 2. 同步发电机空载时气隙磁动势是定子还是转子产生的？磁 动势实际波形是什么波（隐极和凸极）？波形系数如何定
义？(重点)
3. 空间矢量和时间相量的物理意义有何区别？同步电机中哪
些量是空间矢量，哪些量是时间相量？何谓时空矢量图？
同步发电机空载时的时空矢量图？ (重点) 4. 电压波形正弦畸变率的定义是什么？
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§12.4 对称负载时的电枢反应
电枢反应的概念 电机带负载后，电枢电流产生的磁场将使空载气隙磁 场的分布发生变化，从而使绕组中的感应电动势发生 变化，这种现象称为电枢反应。 三个特殊角
这是为了分析电 机特性而引入的 角度
内功率因数角 ：是 I 与E0 的时间相位角，与电机 参数及负载有关 外功率因数角 ：是 U 与 I 的时间相位角，与负 载有关 功率角（功角） ：是 U 与 E 的时间相位角 0 三者关系： = +
★思考：区别（产生机理、转速、分布）？
同步机的三种运行方式: 发电机
转子磁场Ff超前于电枢磁场Fa Te与n1反向 N1
阻力
定子

n1 n1 n1
S2 N1
Te
补偿机
定子
S2
N1
Te 0
定子
电动机
转子磁场Ff滞后于电枢磁场Fa
09级学习部资料 e 1
n1

n1 S2
T 与n 同向
Te
驱动力
二、同步电机的构造特点
09级学习部资料
转子其它部件：
磁极铁芯、转子轭、支撑筋、转轴 阻尼绕组及作用
09级学习部资料
1、上导轴承
2、上机架 3、推力轴承
4、下导轴承
5、下机架 悬式 伞式
伞式：
优—减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资 缺—机械稳定性稍差，用于低速
悬式：
优—减小振动和增加机械稳定性，用于高速 缺—轴向高度大，投资成本高
60 f n n1 p
当f=50Hz时，p=1、2、3、4、5… 则： n=n1=3000、1500、1000、750、600…
2、主要用途 ①主要作发电机 ②电动机（无需调速、低速大功率机械、改善功率因数） ③补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）
一、同步电机的基本工作原理
A、同步发电机 定子 铁芯 电枢绕组 (交流) 转子 铁芯 励磁绕组(直流)
★与异步机比较
相电势大小：
E 4.44 fNK wm
频率： f pn
60
转子加 09级学习部资料 直流励磁
原动机 拖动转子
转子磁场 切割定子绕组
感应 三相交流电势
B、同步电动机：
• 定子：三相绕组通入三相交流电→产生气隙旋转磁场
I ABC
60 f a n1 p
• 转子：磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场
同轴连接 电压输出
交流主励磁机100Hz
旋转电枢绕组
主发电机
自动电压调节器
交流副励磁机500Hz
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图12-12 旋转整流励磁系统
§12.3 同步电机的空载运行
空载的定义 If=IfN，n=nN 定子绕组开路的状态 空载电动势E0
沿气 隙 分布
空载电动势E0随时间变
化规律与转子磁场沿空 间分布规律相同。
E0 4.44 fN1kw1 0
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五、电压波形的正弦畸变率 定义：
kv
U
2 m2
U
2 m3
U U m1
2 mk


U
n2

2 mn
U m1
额定容量为10VA到1MVA的交流发电机，其线电压波形允许的 正弦畸变率不超过10% 额定容量为1MVA以上的交流发电机，其线电压波形允许的正 弦畸变率不超过5%
• 额定效率ηN
（发电机： PN S N cos N 3U N I N cos N （电动机： PN S N cos N N 3U N I N cos N N
09级学习部资料 • 额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN
) )
课时小结
• 同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主 要用途？ • 电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么 异同点？ • 隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？(重点) • 同步电机运行方式？判别依据？ • 同步电机的额定值间的关系？
绕组 磁通
感应 电动势
一、隐极式同步电机的空载磁动势
基波分量
F f1 Ff
实际波形
Ff I f N f
x
转子磁极
图12-13 隐极同步电机转子磁势
定义：励磁磁动势波形系数
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转子绕组
k f Ff 1 Ff
kf取决于r（小齿齿距之和/极距）
二、凸极式同步电机的空载磁动势
f Ff
实际波形
F f1
基波分量
x
转子绕组
转子磁极
图12-14 凸极同步电机转子磁势
Ff 1
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4

F f sin

2
kf
4

sin

2
三、时间相量和空间矢量
空间矢量：在空间按正弦规律分布的量 气隙磁动势基波分量 气隙磁密基波分量
Ff 1 Bf 1
时间相量：随时间按正弦规律变化的量 定子绕组所匝链的磁通 定子绕组感应电动势
12.5 隐极同步发电机的分析方法 12.6 凸极同步发电机的分析方法
12.7 电枢绕组的漏抗
12.8 同步发电机的空载、短路和负载特性 12.9 同步发电机的参数及测定
12.10 同步发电机的稳态运行特性
12.1 同步电机的结构
1、基本特点
①根据电磁感应原理工作的交流旋转电机
②转子转速固定为同步转速
最大直径限制在1m左右
瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=5~7) 形式：整块式、组合式
其它部件：转轴、风扇、集电环
大齿：小齿=1：2
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水轮发电机转子(凸极)
结构：凸极、极靴、阻尼绕组、转子支架 形式：矮胖，直径大（>10m）
安装：悬式、伞式(见下图)
吊装中的水轮发电机转子(320MW)
1、直流励磁机励磁系统
直流励磁机与同步发电机同轴 最常用直流并励发电机;也有采用它励直流发电机 一般带有自动电压调节器
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注：红色为转动部件
2 、交流励磁机整流励磁系统
交流励磁机与整流装置相配合 又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁 无电刷和集电环，系统运行可靠，励磁容量高
0 A
与 F 同方向， F 与 I A 同 a f1
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二、 I 滞后
( E090º 90)时的电枢反应
A 相轴 q 时轴
轴

F f1
0
E0 E
IA E 0B
d
F

a
Fa I
Ea
A 相时空矢量图
直轴去磁电枢反应
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枢反应
功率交换：Fa滞后Ff 180º 处于补偿机运行状态，仅输出感 ， 性无功功率（P=0，Q>0）
电机学多媒体课件系列
第四篇 同 步 电 机
第十二章 同步电机的基本理论和运行特性
福州大学 电气工程与自动化学院 电机学教研组 黄灿水
2006.8
目 录
第十二章 同步电机的基本理论和运行特性
12.1 同步电机的结构 12.2 同步电机的励磁系统 12.3 同步电机的空载运行
12.4 对称负载时的电枢反应
If
• 定子、转子相互吸引，转子跟随定子旋转磁场旋转
60 f n n1 p
可见：无论是同步发电机还是同步电动机，恒有：
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n n1
60 f p
电枢磁场 Fa
两 种 旋 转 磁 场 (交流励磁的旋转磁场)
转子磁极磁场 Ff
(直流励磁的机械旋转磁场)
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四个轴：直轴、交轴、相轴、时轴 负载时的时空矢量图
F
Ψ
E
Ea
负载时的时空矢量图
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空载时空矢量图
一、I 和 E0 同相(
0)时的电枢反应
A 相轴 q 时轴 E0 E
A 相轴 时轴
E 0A
A
F


F f1 0
IB E 0B
a
I Fa Ea
d
隐极式 （Salient-pole） 旋转磁极式 凸极式 （Cylindrical-Rotor） 电 机 电枢：高电压、大电流，装在定子便于引出 磁极(励磁)：电流小，通过电刷可以引入转子
旋转电枢式 用于小容量或特殊用途同步电机
如同步电机的交流励磁机
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同步电机的组成：定子、(气隙)、转子
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§12.2 同步电机的励磁系统
励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统 一、励磁系统应满足的条件:
能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If
当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性. 发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高 当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁. 运行可靠,维护方便,简单,经济. 多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率. 二、励磁系统分类 直流励磁机励磁系统 静止整流励磁 交流励磁机整流励磁系统 旋转整流励磁
量图
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A 相时空矢量图
交轴电枢反应
功率交换：Fa滞后Ff，处于发电机运行状态，仅输出有 功功率（P>0，Q=0，由相量图分析可得）。
电枢反应性质：F 滞后
a
Ff 1
90º ，作用在交轴，是交轴
电枢反应 特点：以A相绕组轴线作为空间矢量和时间相量的参考 轴，则在时空矢量图上 方向。
分布
均匀 离心力小—高速 汽轮发电机（p≤2)
集中
极弧下小、极间大 离心力大—低速 水轮发电机(p≥3)
水 轮 发 电 机 组
汽轮发电机组
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三、同步电机的额定值（铭牌）
• 额定容量SN(或功率PN)：额定运行时的输出容量（或功率）
• 额定电压UN ——定子的线电压
• 额定电流IN ——定子的线电流 • 额定功率因数cosθN ——额定运行时电机的功率因数 • 额定频率fN ——我国标准工频50Hz • 额定转速nN ——即为同步转速
09级学习部资料
总结对比
隐极式 （Salient-pole） 凸极式 （Cylindrical-Rotor）
N S
N S N S
+
+
类型
定子 转子磁极
隐极式
铁芯+三相对称绕组 细长圆柱形，圆周上铣有 大齿、小齿（1：2）
凸极式
铁芯+三相对称绕组 矮胖凸极形状
转子绕组
气隙 速度
09级学习部资料 应用
矩形开口槽,径向,轴向通风道
定子绕组
—三相对称双层绕组(电枢） 扁铜线绕制而成,采用成型线圈
Baidu Nhomakorabea
机
座
—用钢板焊接而成
其他部件
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—隔振结构、电刷等
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隐极机定子
(隐)内定子插入外机座
(隐)外机座加工
09级学习部资料
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凸极机定子机座
2、转子
汽轮发电机转子(隐极)
定子
转子
转子磁极铁芯
B C
定子铁芯 定子绕组 电刷 S N
C B
转子励磁绕组
集电环 （滑环）
A
N
S
+
A
气隙
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1、定子
（同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装）
组成：铁芯、绕组、机座及其他部件 0.35～0.5mm硅钢片，叠压
定子铁心
由扇型片拼成，省材，便于运输
4 空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同 步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同 步速旋转的。
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四、空载电动势相量
气隙磁场由转子磁极建立
磁通：主磁通和漏磁通 主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭
E0 A E00 E0 B E0 120 E0C E0120
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同步电机空载时的时空矢量图
说明
1 时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的
物理意义，但是时、空之间的“相角”无物理意义。 2 参考轴可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线 3 空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的， 如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量，
表示其电动势、电压、电流及绕组匝链的磁通。
1）静止整流励磁系统(他励)
同轴连接 电压输出
交流主励磁机100Hz 交流副励磁机500Hz
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主发电机
自动电压调节器
图12-11 他励式静止整流励磁系统
2）旋转整流励磁系统(无刷励磁系统) 主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机 无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合 但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难